两滴药水,48小时完美修复龋齿!中国科学家新发明,实现牙釉质自我修复

人牙修复实验


牙釉质是人体中最硬的天然生物材料,确保我们在进食坚硬的食物时不易磕坏牙齿。然而,一旦遭到破坏,牙釉质的修复成为一大难题。在一项发表于《科学·进展》的最新研究中,浙江大学化学系教授唐睿康带领的研究团队发明出一种仿生修补液:在牙釉质的缺损处滴上两滴,就能在48小时内“长”出成分、微观结构和力学性能与天然牙釉质几乎一致的晶体修复层,并与原有组织无缝连结。这项研究,有望将牙齿修复带入“仿生再生”阶段。


撰文 | 周炜

来源 | 浙大学术委员会



最“硬”的挑战


牙釉质是包裹于牙齿表面的半透明物质,厚度约为2毫米,其无机矿物含量高达96%。作为人体中最硬的天然生物材料,其硬度甚至高过钢材。


论文第一作者邵长鹆博士介绍了牙釉质如此坚硬的原因。牙釉质近似于一层天然的无机晶体矿物,主要成分是羟基磷灰石晶体,其排布非常致密:纤维状的纳米羟基磷灰石首先紧密聚集形成直径约5微米的釉柱,然后这些釉柱进一步交叉排列形成高度有序的层级结构,让牙釉质坚如磐石,于是我们能够自如地切割、研磨食物。


牙釉质作为高度矿化的生物组织,几乎可被视为纯无机物,由于缺乏包括细胞在内的生物有机基质,因此无法再生。自恒牙长成的第一天起,牙釉质就在缓慢地消耗着,口腔细菌酵解糖类释放出的酸以及酸性饮料都会加速它的消耗。一旦牙釉质的防线被突破,整颗牙就失去了保护伞。让很多人噩梦般痛苦的蛀牙,都是从牙釉质的破坏开始的。


修复牙釉质,堪称是仿生领域一项最“硬”的挑战,科学家们没有停止过尝试。常见的补牙材料,例如复合树脂、陶瓷和汞合金等,主要发挥着“填料”的功能,适用于“大洞”修补,但无法填进小缺小裂,并且与天然组织之间也不能完全结合。所以,补牙之后医生会叮嘱你,不要用补的牙咬螃蟹、嗑核桃了。


在其他一些实验室,科学家还尝试了仿生矿化的方法。但由于牙釉质结构的复杂性,此前人们还无法获得与天然釉质多级结构一致的大面积修复层,因此达不到临床应用要求,也没能真正在牙齿上实现修复。


“理想的修复方法,应该是材料、结构、力学性能三者的统一,而且能实现原位修复。”论文共同通讯作者刘昭明博士说。



两滴修补液,“长”出牙釉质


在最新的研究中,唐睿康团队提出了一种全新的修复策略,有望将牙修复从“填补”时代带入“仿生再生”阶段。


研究团队将富含磷酸钙团簇的溶液,用滴管滴在人工龋齿表面,随后将其放入到一个模拟口腔唾液环境的溶液中。接下来的48小时,虽然肉眼看不出任何变化,但通过扫描电镜,研究者发现牙齿表面已经出现了“翻天覆地”的进展——牙釉质长出来了。


不同再生时期,人牙釉质的扫描电镜图片(6小时,12小时和48小时)。蓝色区域是天然牙釉质,绿色区域是修复后的牙釉质。黑色标尺为1微米。


“龋齿的表面首先形成了一个仿生矿化前沿。”唐睿康说,这个仿生矿化前沿能完全结合在需要修补的牙釉质界面上,同时引导晶体实现外沿生长,使得羟基磷灰石长出类似于釉柱结构的晶体,并朝特定的方向有序排列。实验测量显示,48小时后,牙釉质“长”高了2~3微米。“也就是说,牙齿上长出了一种连续的材料,一个与原组织一模一样、完全结合的生物结构。”邵长鹆说。


刘昭明说,大概在2000年前后,随着观测手段的进步,科学家得以观察到动物的成骨过程,“斑马鱼骨骼的生长,海胆的刺的生长,都是一个在无定形矿物层上实现晶体外延生长的过程,我们发现,我们对牙的修复过程与生物的成骨过程非常类似。”


在临床医生看来,这几乎是目前最接近临床应用的实验室产品。德国著名生物矿化学家、康斯坦兹大学Helmut Cölfen教授也评价说:“这是我所知道的迄今为止最好的牙釉质修复材料,有望在临床上真正实现牙釉质的原位修复。”



最真牙釉质


“我们用了与人体相同的材料,实现了结构性的完全修复,和本体组织几乎一模一样。”刘昭明对这一研究十分自信。


单颗人牙的照片。左边黑色区域为未修复的牙,右侧黄绿色区域为用我们材料修复后的人牙(颜色是由荧光标记物产生,用于区分两个区域)。两张插入图是修复前后的牙釉质扫描电镜图,白色标尺为1微米。


“真”到什么程度?邵长鹆分享了研究中的一件趣事:当他第一次拿修复后的电镜照片给唐教授看时,唐教授端详了半天,将信将疑:“这还是原来的牙吧,是不是修复材料脱落了?”没多解释,邵长鹆回去重新做实验。这一次,他建立了对照组,把整颗牙分为两部分,其中一半滴上修补液并修补液里添加了荧光指示剂。这样一来,证据充分了:虽然电镜图辨别不出人工修补的痕迹,但荧光剂指示了修补的具体位置。确实,人工牙釉质已达到了“以假乱真”的效果,即便是牙医也不能通过已有的经验分辨出修复前后的牙釉质。


研究还进一步测试了修复材料的力学性能,实验人员用纳米压痕技术测试牙釉质修复层的力学强度。结果显示,长出来的人工牙釉质,其硬度和弹性模量与天然牙釉质的数值几乎相同。“也就是说,我们不但在结构、外形上修复了,在力学性能上也实现了修复。”刘昭明说。


巧的是,唐睿康本人的门牙上有一处隐裂,牙医说缝太细,目前的医学手段修不了。这项研究有了进展后,唐教授主动提议在自己身上做实验,开展仿生矿化牙釉质修复的验证,届时科学家又要开始“长牙”了。


当然,如果要真正实现临床应用,该项技术还需经历严格的动物实验和临床验证。“虽然我们实现了天然牙釉质的结构性原位修复,但牙缺损形式繁多,下一步需要针对不同的情况进一步研发修复模型,确保可控与有效。”邵长鹆说。


这项研究受到了国家重点研发项目,国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。


原始论文:

https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw9569




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